一种非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法

本发明涉及隧道工程，尤其涉及一种非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法。

背景技术：

1、深埋隧道具有非对称高地应力特征，易导致隧道部分区域应力集中，成为围岩稳定性关键控制部位。隧道开挖过程中将会产生强烈应力调整，且采用钻爆法开挖时会造成应力集中区发生岩爆、塌方或掉块等灾害性事故，造成人员伤亡、设备损毁、工期延误。

2、在高地应力隧道断面，经常出现应力非对称分布，应力集中区域围岩容易产生较高的能量，容易发生岩爆，为控制隧道稳定性的重要部位。

3、随着隧道的开挖，高地应力隧道掌子面后方围岩切向应力σθ逐渐增大、径向应力σr减小，应力差(σ1-σ3、σ2-σ3)增大，围岩逐渐处于不利应力状态。为了减轻这些风险，监测这些隧道中的微震活动非常重要。

4、微震监测技术目前在多个矿山、边坡、隧道等工程安全性监测中进行了广泛应用，取得了一系列研究成果。微震监测技术是利用在空间上不同方位布设的微震传感器，捕捉岩体产生微破裂过程所发出的地震波信息，对其加以分析、处理后确定微震事件发生的时间、位置、震级大小及能量释放等信息，以此为基础推断岩体内部应力状态、破坏情况，进而对岩体稳定性进行评估和预警。

5、经验表明，掌子面后方隧道横断面所受最大主应力连线的垂直方向围岩处形成应力集中区，为岩爆微震监测的重要部位。微震监测技术在非对称高地应力隧道的应用存在诸多困难，主要包括：1)传统的微震传感器布置方法传一般采用几何对称的方式，没有考虑非对称高地应力隧道应力集中区的特点，往往监测部位与应力集中区易破坏部位不一致，不能有效评估围岩稳定性；2)现有的传感器的钻孔位置和深度均未考虑非对称高地应力引起的应力集中区，不能有效地实现微震事件的连续监测；3)如何及时、高效、精确地利用微震监测技术对非对称高地应力隧道岩体可能出现的微破裂进行系统性监测，评价围岩损伤破坏程度，并提前判识岩体潜在的失稳区域，从而正确判断围岩稳定性，目前国内外对这方面的技术研究尚缺乏。因此，针对微震监测技术在非对称高地应力隧道施工过程的应用中，监测点合理布置的问题，有必要研究合理的传感器布置方式，建立与开挖工序和掘进速度相适应的微震监测方案，为微震监测技术在非对称高地应力隧道开挖过程中的应用奠定基础。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，解决隧道开挖过程中微震监测传感器阵列难以将应力集中区及其附近岩体包围在内的问题，使得隧道应力集中区及其附近更多的有效微破裂源信号能被微震传感器捕捉，提高微震源定位精度，为深埋硬岩隧道灾害的准确预测预报奠定基础。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：基于隧道围岩的地质资料，根据非对称原岩地应力分布与隧道断面几何特征，对非对称高地应力隧道稳定性进行三维数值模拟，并进行非对称高地应力隧道能量计算，结合施工信息，确定非对称高地应力隧道掌子面后方应力集中区位置；

5、步骤s2：在非对称高地应力隧道掌子面后方应力集中区由洞壁至围岩内部设置多个钻孔，作为微震监测孔，各个微震监测孔在空间上错开式布置；

6、步骤s3：在钻孔不同径向深度区域安放微震传感器，微震传感器均通过钻孔埋入式安装于隧道内壁岩体中；微震传感器埋入深度须超过围岩松弛深度；钻孔深度大于微震传感器布置深度；

7、步骤s4：在隧道空间中布置n个已知微震源，已知微震源的三维坐标和发震时间已知，对步骤s3的传感器布置方案进行定位精度分析，当微震源定位精度达到设定阈值时，则确定微震传感器的布置方案，向钻孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合；如果震源定位精度没有达到设定阈值，则对钻孔位置进行微调，重新安放微震传感器，直到定位精度达到设定阈值；

8、步骤s5：当应力集中区通过二次支护，区域微震能量和活动性逐渐降低，按照步骤1确定下一个应力集中区，将微震传感器按照步骤2～步骤4重新布置，直至隧道开挖完成；

9、步骤s6：隧道施工过程中，通过已有的通信网络搭建隧道内微震监测中心和洞外微震监测项目部之间的局域网，以便监测人员及时采集储存掌子面后方应力集中区内部不同深度的微震活动情况并进行分析，根据监测结果及时对岩爆风险进行反馈。

10、进一步地，所述步骤s1中，非对称高地应力隧道能量计算的具体方法为：

11、追踪单元能量过程，其主应力空间岩体总能量具体表示为：

12、

13、其中，u为主应力在主应变方向上做的总功；σi为岩体3个主应力，εi为岩体3个主应变，i＝1，2，3。

14、进一步地，所述应力集中区在掌子面后方非对称高地应力隧道所受最大主应力连线垂直方向的隧道围岩处。

15、进一步地，在应力集中区前后采用2个监测断面，每个监测断面布置4个微震传感器，第一排微震传感器距离应力集中区前20m，第二排微震传感器距离应力集中区后20m，每个微震传感器每次安装均需要一个钻孔，孔深2～4m，孔径75mm。

16、进一步地，在表层、表层向内、深层三个位置处安装微震传感器，用于接收围岩内部不同径向深度处的围岩破裂信息。

17、进一步地，微震传感器采用单向速度型传感器和三向速度型传感器相互协同工作，可测范围为7～2000hz，收集围岩内部的围岩破裂信息。

18、进一步地，应力集中区在隧道的角点、拐点区域周边优先布置三向速度型传感器，其余微震监测孔内采用单向、三向速度型传感器交替的布置形式。

19、进一步地，利用专用数据处理软件，计算每个微震事件的震源参数，包括微震释放能、视体积、地震矩、矩震级；并绘制应力集中区域内典型微震特征参数随时间的演化曲线，以及微震事件的空间分布图，分析应力集中区域内微震活动时空演化特征。

20、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，基于隧道围岩的地质资料，根据非对称原岩地应力分布与隧道断面几何特征，对非对称高地应力隧道稳定性进行三维数值模拟，并进行非对称高地应力隧道能量，确定岩爆风险区位置，计算充分利用隧道已开挖提供的空间，在应力集中区前方和后方均布置微震传感器，将风险较高的区域及其附近区域始终包含于布置在掌子面前后两组微震传感器阵列内，有利于对微破裂信号的采集，保证了微震定位精度，为灾害的准确预测预报奠定基础。微震传感器相互协同工作且在空间上错开布置，有利于微震传感器接收信号，避免了微震传感器在同一平面上而影响微震源定位。微震传感器的安装布置紧跟应力集中区向前向后移动并始终与应力区保持一定距离范围，防止掌子面开挖爆破、岩体破坏等对微震传感器及线路的损坏，保障了微震监测系统安装人员的安全。

技术特征：

1.一种非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：所述步骤s1中，非对称高应力隧道能量计算的具体方法为：

3.根据权利要求1所述的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：所述应力集中区在掌子面后方非对称高应力隧道所受最大主应力连线垂直方向的隧道围岩处。

4.根据权利要求1所述的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：在所述应力集中区前后采用2个监测断面，每个监测断面布置4个微震传感器，第一排微震传感器距离应力集中区前20m，第二排微震传感器距离应力集中区后20m，每个微震传感器每次安装均需要一个钻孔，孔深2～4m，孔径75mm。

5.根据权利要求4所述的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：在表层、表层向内、深层三个位置处安装微震传感器，用于接收围岩内部不同径向深度处的围岩破裂信息。

6.根据权利要求1所述的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：微震传感器采用单向速度型传感器和三向速度型传感器相互协同工作，可测范围为7～2000hz，收集围岩内部的围岩破裂信息。

7.根据权利要求6所述的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：应力集中区在隧道的角点、拐点区域周边优先布置三向速度型传感器，其余微震监测孔内采用单向、三向速度型传感器交替的布置形式。

8.根据权利要求1所述的非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，其特征在于：利用专用数据处理软件，计算每个微震事件的震源参数，包括微震释放能、视体积、地震矩、矩震级；并绘制应力集中区域内典型微震特征参数随时间的演化曲线，以及微震事件的空间分布图，分析应力集中区域内微震活动时空演化特征。

技术总结
本发明提供一种非对称高地应力隧道岩爆微震传感器布置方法，涉及隧道工程技术领域。基于隧道围岩地质资料，根据非对称原岩地应力分布与隧道断面几何特征，对非对称高应力隧道稳定性进行三维数值模拟，并计算非对称高应力隧道能量，确定岩爆风险区位置，在应力集中区前后方均布置微震传感器，将风险较高的区域及其附近区域始终包含于布置在掌子面前后两组微震传感器阵列内；微震传感器相互协同工作且在空间上错开布置，微震传感器的安装布置紧跟应力集中区向前向后移动并始终与应力区保持一定距离范围。本发明使得隧道应力集中区及附近更多的有效微破裂源信号能被微震传感器捕捉，提高微震源定位精度，为深埋硬岩隧道灾害的准确预测预报奠定基础。

技术研发人员：何本国,冯夏庭,王雷,胡磊,李红普,张伟
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16